Влияние ph на состав и свойства белков. Понятие изоэлектрической точки белка.

Белки относятся к аморфным полиэлектролитам, так как на их поверхности одновременно имеется множество кислотных и основных групп: RCOOH – кислотная; NH₂ – основная.

Молекула белка имеет электрический заряд, обусловленный почти исключительно диссоциацией ионогенных групп –COOH и –NH₂. Эти группы принадлежат концевым аминокислотам, т.е. находящимся на концах полипептидных цепочек, а также дикарбоновым и диаминовым аминокислотам, рпсположенным в середине цепочки.

Схематически диссоциацию этих групп белка, учитывая гидратацию аминогрупп, можно представить так:

NH₂-R-COOH+H₂O«NH₃OH-R-COOH «NH₃⁺-R-COO^-+H⁺+OH^-

В нейтральной среде заряд белковой макромолекулы определяется количественным соотношением групп -COOH и -NH₂ и степенью их диссоциации. Чем больше групп -COOH, тем выше отрицательный заряд и белки будут проявлять свойства слабой кислоты. Группы -NH₂ сообщают белку основные свойства и положительный заряд.

В кислой среде белок приобретает положительный заряд:

NH₃⁺-R-COO^-+H⁺«NH₃⁺-R-COOH (катионная форма, перемещается к катоду).

В щелочной – отрицательный:

NH₃⁺-R-COO^-+OH^-«NH₃OH-R-COO^- (анионная форма, перемещается к аноду).

Т.о. заряд белка зависит от реакции среды, а также от соотношения количества его карбоксильных и аминных групп и их степеней их диссоциации.

Значение pH, при котором число различных зарядов в белковой макромолекуле одинаково и ее общий заряд равен нулю, называется изоэлектрической точкой белка, а такое состояние белка – изоэлектрическим состоянием.

Для каждого белка существует свое характерное значение pH, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии. В изоэлектрическом состоянии наиболее эффективно происходит высаливание белков.

В изоэлектрической точке белок теряет агрегативную устойчивость, уменьшается степень набухания, макромолекулы белков слипаются и выпадают в осадок. Благодаря изоэлектрической точке белка стало возможным подвергать белки электрофорезу. Электрофорез – движение заряженных частиц под действием внешнего электрического поля к противоположно заряженному электроду. Электрофорез белков приобрел большое значение для препаративных и аналитических работ. Электрофоретическое исследование белков сыворотки крови (иногда и мочи, спинномозговой жидкости, желудочного сока и т.п.) в настоящее время – один из широко применяемых клинических анализов.

Изоэлектрическая точка белка может быть определена по:

1. электрофоретической подвижности. Исследуемый белок подвергают электрофорезу в буферных растворах с разным значением рН. В буфере со значением рН, равным изоэлектрической точке белка, последний электронейтрален и перемещаться в электрическом поле не будет.

2. степени коагуляции. В пробирки наливают буферные растворы с различным значением рН, затем туда вносят равные количества исследуемого белка и добавляют спирт. Наиболее выраженное помутнение произойдет в пробирке с буфером, рН которого соответствует изоэлектрической точке белка.

3. скорости желатинирования. В пробирки наливают буферные смеси с различным значением рН и добавляют концентрированный раствор исследуемого белка. Желатинирование его произойдет быстрее всего в растворе, рН которого наиболее близко к изоэлектрической точке белка.

4. величине набухания. Одинаковые количества сухого белка насыпают в ряд пробирок, туда же приливают равные объемы буферных растворов с различным значением рН. Наименьшее набухание белка окажется в пробирке, где рН среды будет ближе всего к изоэлектрической точке белка.

 

Биогенные элементы.

Известно, что в состав земной коры входит около 90 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Академик Вернадский показал в своих трудах тесную взаимосвязь элементного химического состава земной коры и живых организмов. На основе таких наук, как биохимия, биология, геохимия, академиком Вернадским была создана новая наука – биогеохимия, изучающая взаимосвязь элементного химического состава земной коры и живых организмов, а также миграцию химических элементов и их круговорот в системе «живая материя – Земля».

В составе организмов обнаружено около 70 химических элементов периодической системы.

Химические элементы, находящиеся в живом организме и обладающие выраженной биологической ролью, называются биогенными элементами.

В зависимости от количественного содержания в организме химические элементы делятся на следующие группы:

1. Макроэлементы. Их содержание в организме составляет 0,01% и больше от массы организма. К таким элементам относятся C, O, H, N, P, S, K, Na, Ca, Cl и др.

2. Микроэлементы. Их содержание колеблется в пределах от 10^-3 до 10^-12% от массы организма. К ним относятся Fe, Mo, Mn, Cu, Zn, F, I и др.

3. Ультрамикроэлементы. Их содержание составляет меньше, чем 10^-12% от массы организма. Это, например, Au, Sb, Hg и др.

Такие элементы, как C, O, H, N, P, S, носят название органогены. Они входят в состав каждой клетки и составляют основную массу мономеров и соответствующих биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов).

На биологическую роль химических элементов оказывают влияние такие факторы, как заряд атома элемента, радиус атома или радиус иона, энергия гидратации, значения координационных чисел и др.

Макроэлементы в организме в основном выполняют роль пластического материала. Они участвуют в построении клеток и тканей, поддержании осмотического давления, кислотно-основного равновесия.

Микроэлементы входят в структуру и активные центры ферментов, находятся в составе витаминов, гормонов и других биологически важных соединений. Тем самым они оказывают влияние на обмен жиров, белков, углеводов, а, следовательно, на обмен веществ в организме.

Отбор биогенных элементов в процессе эволюции проходил под влиянием следующих факторов:

1. распространенность химического элемента в земной коре;

2. заряд ядра атома элемента (биогенные элементы в основном легкие);

3. растворимость соединений данного элемента в воде;

4. электронная структура атома (этот фактор – решающий).

Биогенные элементы образуют три группы, четко привязанные к s-, p- и d-блокам периодической системы. S-элементы (такие, как K, Na, Ca, Mg) создают электролитическую среду в крови и других биологических жидкостях. P-элементы – это в основном органогены. D-элементы - это, главным образом, микроэлементы.

Установлена связь между положением химических элементов в периодической системе и их биологической ролью. Так, например, элементы I^A-группы (Rb и Cs) оказывают влияние на деятельность сердечной мышцы и кровообращение; элементы II^A-группы (Be, Mg, Ca, Sr, Ba) оказывают сходное влияние на процессы образования костей и действие гормона инсулина, снижая уровень глюкозы в крови. Элементы V^A-группы (P и As) связаны общностью их участия в процессах окислительного распада веществ в организме. Для элементов VI^A-группы (O, S, Se, Te) характерно взаимозамещение в биологических соединениях. Установлено, что с увеличением порядкового номера химического элемента повышается его токсичность. В организме количественное содержание химического элемента уменьшается с увеличением его порядкового номера.

Топография микроэлементов.

Микроэлементы в организме неравномерно распределены между органами и тканями. Большинство их в высоких концентрациях содержится в печени, которая рассматривается как функциональное депо для многих микроэлементов. Отдельные элементы проявляют сродство к некоторым органам и тканям. Так, например, цинк Zn в высоких концентрациях содержится в поджелудочной железе; молибден Mo – в почках; стронций Sr – в костях; барий Ba – в сетчатке глаза; марганец Mn, бром Br, хром Cr – в гипофизе.

Формы нахождения биогенных элементов в организме.

Биогенные элементы в организме могут находиться как в свободной ионизированной форме, так и в составе различных соединений. Так, напр., железо в виде Fe²⁺ как комплексообразователь содержится в составе гемоглобина, участвующего в транспорте кислорода от легких к тканям. Железо в виде ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ содержится в составе ферментов, участвующих в биологическом окислении. В кислой среде желудка содержатся свободные ионы Fe²⁺ и Fe³⁺. В щелочной среде кишечника железо осаждается в виде Fe(OH)₃.

Современная медицина широко исследует взаимосвязь между содержанием химических элементов в организме и возникновением и развитием различных заболеваний. Оказалось, что особенно чутко организм реагирует на изменение концентраций микроэлементов. Поэтому определение содержания микроэлементов в органах и тканях в норме и при патологии имеет большое значение для прогнозирования, диагностики и лечения различных заболеваний. Так, например, установлено, что при гипертонической болезни в крови и эритроцитах более, чем в два раза снижается содержание лития Li. При инфаркте миокарда в плазме крови уменьшается содержание цинка Zn.

В 1926 г. академик Вернадский предложил выделить химические области – участки земной коры, отличающиеся повышенным содержанием одних элементов и обедненных другими химическими элементами. Такие участки получили название биогеохимических провинций. Отсюда, одни организмы попадают в условия избытка каких-либо элементов, а другие – недостатка. Это приводит к возникновению эндемических заболеваний, т.е. заболеваний, характерных для какой-то определенной местности или региона. Так, например, в местностях, удаленных от моря, где в воде и растениях содержится недостаточное количество йода I (в т.ч. в Омской области) у людей возникает заболевание щитовидной железы – эндемический зоб. При избытке молибдена Mo в почве (в частности, в Армении) возникает молибденовая подагра. Механизм возникновения этого заболевания связан с тем, что молибден при избыточном поступлении в организм активизирует пуриновый обмен, в результате чего образуется большое количество мочевой кислоты. Ее труднорастворимые соли – ураты натрия – откладываются в суставах, что приводит к подагре.

Токсическое действие нитратов на организм.

Нитраты при их избыточном поступлении в организм с продуктами питания оказывают токсическое действие. В кислой среде желудка нитраты превращаются в нитриты:

NO₃^-+2H⁺+2e®NO₂^-+H₂O

Нитриты, поступая в кровь, взаимодействуют с гемоглобином: они окисляют его и переводят в метгемоглобин-форму, не способную транспортировать кислород:

Hb(Fe²⁺)+ NO₂^-+2H⁺®метHb(Fe³⁺)+NO+ H₂O

Т.о., взаимодействие нитритов с гемоглобином нарушает процесс переноса кислорода в организме, что приводит к гипоксии, которая сопровождается тошнотой, рвотой, потерей сознания, также может привести к гибели организма. Нитраты в организме также могут участвовать в образовании канцерогенных соединений, вызывающих появление злокачественных опухолей.

Механизм образования смога и его токсическое действие на организм.

Фотохимический смог (или токсический туман) – один из грозных социально-физических явлений в атмосфере (воздухе) крупных населенных пунктов, в т.ч. и нашего г. Омска.

Формирование смога начинается со следующей реакции: N₂+O₂® (при t)2NO. Эта реакция протекает в цилиндре двигателя автомобиля, а также на промышленных предприятиях. Образующийся при этом оксид азота NO поступает в окружающую среду с выхлопными газами автомобилей и выбросами промышленных предприятий. В окружающей среде он окисляется кислородом воздуха, образуя бурый газ (NO₂). Т.е. протекает реакция 2NO+O₂®2NO₂. Бурый газ разлагается на свету: NO₂® (свет)NO+O. Атомарный кислород, образующийся в процессе разложения бурого газа, взаимодействует с молекулярным кислородом, образуя аллотропную модификацию кислорода – озон: O₂+O®O₃. Озон, являясь очень сильным окислителем, окисляет непредельные углеводороды, содержащиеся в воздухе: CH₃-CH=CH₂+O₃® CH₃-CH-O-CH₂ (и от CH и CH₂ идут связи к двум кислородам, соединяющимся между собой). Озонид взаимодействует с парами воды, содержащимися в воздухе: CH₃-CH-O-CH₂ (и от CH и CH₂ идут связи к двум кислородам, соединяющимся между собой). +H₂O®CH₂O+CH₃-CHO+H₂O₂. Образующиеся в процессе формирования смога альдегиды токсичны. Они раздражают слизистые оболочки глаз, дыхательных путей, вызывают нарушения со стороны нервной системы. Поэтому в период формирования смога значительно ухудшается состояние здоровья населения.

Кальций и фосфор в организме.

Кальций является s-элементом. Его электронная конфигурация: ₂₀Са [Ar]4s².

Кальций в организме является макроэлементом. Его содержание в организме составляет около 1 кг, причем 99% кальция находится в костной, хрящевой и зубных тканях, где он содержится в составе карбонатов, фосфатов, соединений с фтором, хлором, органическими веществами. В костной и зубных тканях кальций содержится в составе гидроксиапатитов Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂, в составе фторапатита Са₁₀(РО₄)₆F₂ и других видов апатитов.

От количественного содержания кальция зависит прочность костной и зубных тканей. Костная ткань – это депо кальция в организме. Запас кальция в организме постоянно пополняется за счет непрерывной перестройки костной ткани. Кальций также содержится в крови и других биологических жидкостях. Ионы Са²⁺ являются внеклеточными, т.к. их количественное содержание вне клеток выше, чем внутри клеток. Ионы кальция Са²⁺ принимают участие в передаче нервных импульсов, мышечном сокращении, регуляции деятельности сердечной мышцы, свертывании крови, поддержании осмотического давления, кислотно-основного равновесия, влияют на проницаемость клеточных мембран, функцию эндокринных желез, входят в состав некоторых ферментов, оказывают противовоспалительное действие, снижают возбудимость ц.н.с. Суточная потребность в кальции для здорового взрослого человека составляет 0,8-1,1 г. Кальций содержится в молоке, молочных продуктах, в яйцах, в мясе, в овощах и фруктах.

Фосфор является p-элементом. Его электронная конфигурация: ₁₅Р [Ne]3s²3p³. Фосфор в организме является макроэлементом, органогеном. Содержание его в организме составляет около 650 г, причем 90% фосфора содержится в костной и зубных тканях. В этих тканях, находясь в составе гидроксиапатита, фторапатита, фосфор вместе с кальцием участвует в построении этих тканей. Фосфор называют элементом жизни и мысли. Фосфор, находясь в составе фосфолипидов мозга и нервной ткани, участвует в функции мозга и нервной системы. Большинство биохимических процессов в организме связано с превращением фосфорорганических соединений. В частности, первой стадией метаболизма углеводов является их фосфорилирование, в результате которого образуются реакционноспособные эфиры углеводов и фосфорной кислоты: (6 атомов С и кислород; 1, 2, 4, 5 – ОН снизу; 3 – сверху; к 5 сверху СН₂ОН)+H₃PO₄(структурная формула)= (6 атомов С и кислород; 1, 2, 4, 5 – ОН снизу; 3 – сверху; к 5 сверху СН₂О-PO₃Н₂)+H₂O

Фосфор входит в состав АТФ и АДФ, являющимися аккумуляторами и источниками энергии в организме. Остатки фосфорной кислоты соединяют нуклеотиды в молекулах РНК и ДНК, участвующих в хранении и передаче наследственной информации. Фосфор входит в состав буферных систем, участвующих в поддержании постоянства рН в крови и других биологических жидкостях:

Фосфатная буферная система {HPO₄^2-; H₂PO₄^- (в столбик).

Эфиры глюкозы и фосфорной кислоты различной степени замещенности: (6 атомов С и кислород; 1, 2, 4, 5 – ОН снизу; 3 – сверху; к 5 сверху СН₂О-PO₃НNa) - однозамещенный глюкозо-6-фосфат, (6 атомов С и кислород; 1, 2, 4, 5 – ОН снизу; 3 – сверху; к 5 сверху СН₂О-PO₃Na₂) - двузамещенный глюкозо-6-фосфат.

Фосфор, входит в состав таких соединений, как ФАФС, УДФГК, участвующих в организме в обезвреживании токсичных соединений, в частности, фенолов и др. Суточная потребность в фосфоре для здорового взрослого человека составляет 1-2 г. Фосфор поступает в организм как с растительной, так и с животной пищей. Особенно богаты фосфором такие продукты питания, как сыр, шоколад, овсяная и гречневая крупы, рыба. При недостатке фосфора в организме возникают тяжелые заболевания.

 

Способы выражения концентрации растворов.

1. Массовая доля растворенного вещества – это отношение массы растворенного вещества к массе раствора:

w_в=m_в/m_р, где:

w_в  - массовая доля растворенного вещества (%);

m_в – масса растворенного вещества (г, кг);

m_р – масса раствора (г, кг).

Массовую долю обычно выражают в процентах или в долях единицы. Пр.: w_NaOH=0,1=10%, это значит, что раствор NaOH, массой 100 г, содержит 10 г NaOH и 90 г воды.

2. Молярная концентрация – показывает число моль вещества в одном дм³ (литре) раствора.

С_x=n_x/V, где:

С_x – молярная концентрация вещества;

n_x – число моль растворенного вещества;

V – объем раствора вещества (л, дм³).

Молярную концентрацию выражают в моль·дм^-3. Пр.: C_NaOH=0,1 моль·дм^-3.

3. Молярные соотношение реагирующих веществ не всегда равно 1:1. Оно определяется стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции. В связи с этим вводится понятие химический эквивалент – это реальная или условная частица вещества, которая в обменной реакции эквивалентна одному протону, а в окислительно-восстановительной (о–в) реакции – одному электрону. Поэтому вводится еще один способ выражения концентрации:

Молярная концентрация эквивалента вещества, которая показывает число моль эквивалента вещества в одном дм³ (литре) раствора:

C(1/z)=(n(1/z))/V

Молярная концентрация эквивалента вещества выражается в моль·дм^-3 (моль·л^-1)

Выражение 1/z называется фактором эквивалентности. Оно показывает, какая доля реальной частицы соответствует эквиваленту.

В обменной реакции число z показывает суммарный заряд обменивающихся ионов (в соответствии с уравнением реакции, знак заряда во внимание не принимается). В о-в реакциях z – число отданных или принятых электронов.

Одно и тоже вещество может иметь разные эквиваленты в разных химических реакциях, поэтому эквивалент вещества может быть определен только для конкретной реакции.

Пр.: 1. В реакциях обмена с участием H₂SO₄ может происходить замещение в ее молекуле одного или двух протонов. В зависимости от этого эквивалент H₂SO₄  меняется:

А. H₂SO₄+NaOH=NaHSO₄+H₂O, z=1, 1/z=1.

Б. H₂SO₄+2NaOH=Na₂SO₄+2H₂O, z=2, 1/z=1/2.

2. В о-в реакциях с участием KMnO₄  в зависимости от кислотности среды образуются разные продукты восстановления, число электронов меняется, поэтому и эквивалент KMnO₄ будет разным:

А. Кислая среда: MnO₄^-+8Н⁺+5е=Mn⁺²+4H₂O, z=5, 1/z=1/5.

Б. Нейтральная среда: MnO₄^-+4Н⁺+3е=MnO₂+2H₂O, z=3, 1/z=1/3.

В. Щелочная среда: MnO₄^-+1е=MnO₄^-2, z=1, 1/z=1.

Полезно заметить, что С(1/z)_x=z·C_x.

Если 1/z=1, то молярная концентрация эквивалента вещества будет равна молярной концентрации. Во всех других случаях она всегда будет больше молярной концентрации во столько раз, во сколько раз эквивалент меньше реальной частицы, т.е.:

z=(C(1/z)_x)/C_x

4. Титр – это отношение массы растворенного вещества к объему раствора.

t=m/V, где:

t – титр растворa; выражают в г·см^-3 (г·мл^-1);

m – масса растворенного вещества;

V – объем раствора.

Полезные формулы: n=m_x/M_x; m_p=pV; m_x=c_x·M_x·V; m(1/z)_x=c(1/z)_x·M(1/z)_x·V

Расчет молярных масс эквивалентов М(1/ Z) _X кислот, щелочей, солей, окислителей – восстановителей.

1. Молярная масса эквивалента кислоты есть отношение молярной массы данной кислоты к числу ионов водорода, участвующих в реакции:

М(1/Z)кислоты=M(кислоты)/число H⁺.

2. Молярная масса эквивалента основания есть отношение молярной массы основания к числу ионов гидроксида, участвующих в реакции: М(1/Z)основания=M(основания)/число ОH^-.

3. Молярная масса эквивалента соли есть отношение массы соли к произведению числа атомов данной соли на его степень окисления.

M(1/Z)соли=M(соли)/(число атомов Ме·степень окисленияМе).

4. Молярная масса эквивалента окислителя или восстановителя есть отношение молярной массы окислителя или восстановителя к числу электронов, отданных или принятых в данной реакции:

М(1/Z) ок-ля, вос-ля)=Мок-ля, вос-ля)/число е.

 

Аналитическая химия.

Аналитическая химия – наука о методах анализа химического состава веществ или их смесей.

Она делится на качественный и количественный анализ.

Качественный анализ позволяет определить, какие элементы, группы атомов, ионов, молекул, радикалов входят в состав анализируемого вещества или смеси вещества.

Количественный анализ позволяет установить количественные соотношения компонентов данного соединения или смеси веществ.

Различают: физические, физико-химические и химические методы количественного анализа.

Химические методы, в свою очередь, делятся на:

ü гравиметрию (весовой анализ);

ü титриметрию (объемный анализ).

В клинических лабораториях широкое распространение получил титриметрический метод анализа, т.к. для его проведения требуется простое лабораторное оборудование, незначительные затраты труда и времени. Для него характерны высокая точность и высокая универсальность.

Данный анализ основан на измерении объема титранта (с известной концентрацией), израсходованного на реакцию с определяемым веществом, при этом вещества должны реагировать в строго эквивалентных количествах.

Процесс постепенного добавления титранта к анализируемому веществу называется титрованием, а момент завершения реакции – моментом эквивалентности.

Расчеты в титриметрическом анализе подчиняются закону эквивалентности.

C(1/z)_Т – молярная концентрация эквивалента титранта, моль·дм^-3;

V_Т – объем раствора титранта, см³;

V_Х – объем раствора исследуемого вещества, см³;

C(1/z)_Т·V_Т= C(1/z)_Х·V_Х

Т.о. в момент эквивалентности число миллиэквивалентов титранта и анализируемого вещества должны быть одинаковыми.

Для проведения титриметрического анализа необходимо:

1. знать точную концентрацию титранта;

2. точно измерить объемы растворов титранта и анализируемого вещества;

3. точно фиксировать момент эквивалентности;

Для точного измерения объемов растворов реагирующих веществ используют мерную посуду – бюретки, пипетки, мерные колбы и пр.

Момент эквивалентности определяют:

1. с помощью индикаторов (Ind);

2. по изменению окраски раствора одного из реагирующих веществ;

3. по прекращению выпадения осадка или изменению цвета осадка;

4. с помощью приборов, например, потенциометров, кондуктометров и пр.

Зная точную концентрацию титранта, объемы растворов титранта и исследуемого вещества, можно легко рассчитать концентрацию исследуемого вещества в растворе:

C(1/z)_Х=(C(1/z)_Т·V_Т)/V_Х

Из вышеприведенного уравнения можно определить титр раствора исследуемого вещества:

t(x)=(C(1/z)_Х·M(1/z)_Х)/1000

В титриметрическом анализе могут использоваться не все химические реакции, а только те, которые отвечают определенным требованиям:

1. реакция должна быть необратима;

2. реакция должна протекать быстро, в строгом соответствии с законом эквивалентов, без побочных процессов;

3. необходимо точно фиксировать момент эквивалентности.